曹原 石墨烯的驾驭者

梁伟

2018年12月18日，世界顶尖学术期刊英国《自然》杂志发布了“2018年度科学人物”，让人意外的是，位居榜首的居然是1996年出生、在美国麻省理工学院攻读博士的中国留学生曹原。每年《自然》年度十大人物的封面图片都是一个巨大的数字“10”，具体样式和底纹都会融入当年的科技热点进行设计，而这期封面图片明显指向曹原的成果。数字“10”中的“0”被处理成一个正六边形，宛如构成石墨烯的碳环结构，整个数字“10”则点出了赋予石墨烯超导能力的“魔角”。

未满23岁的曹原被《自然》杂志称为“石墨烯的驾驭者”，他发现了使石墨烯能够在没有电阻的情况下导电的方法，破解了困扰物理学界107年的世界难题。可以说，这一发现开创了一个新的领域，该方法将会使能源的使用和运输更为有效。

“仰望星空能让我安静下来”

曹原喜欢仰望星空。他说：“仰望星空能让我安静下来。”

曹原的世界一直都是安静的，却又是不平静的，甚至可以说是波澜壮阔的。他一直是很多人口中那个“别人家的孩子”，因为太过优秀。

2007年，曹原成为深圳耀华实验学校的学生，连当年的老师都没有想到，会遇到自己执教生涯最特殊的一个孩子，这个孩子仅仅用了三年时间就读完了小学六年级、初中和高中的全部课程。

“曹原是六年级来到耀华的，在我的印象中，他智力超群，学习力很强。”曹原当年的班主任、耀华实验学校副校长肖甜表示。“上学的时候，他已经展示出了过人的灵气和天赋。善于思考，勤于动手，我们发现了他这个特点，着重在动手能力培养方面给他创造条件。而他的家长也不惜一切代价，给他创造条件——支持曹原在家里搭了一个小实验室，还购置了一批化学、物理的实验仪器。学校为了满足他的好奇心，提供超过教学大纲的实验条件。”

对于这样的評价，曹原的中学物理老师黄佳堂表示赞同：“那时他特别小，也很淘气。他会把教室的讲台或桌子拆出来，就为了看里面是什么构造，我们也不知道没有工具的他是怎么做到的。”“拆东西”这个习惯也延续伴随着曹原到了现在，《自然》杂志称，曹原在麻省理工的导师也认为他的内心深处是个“修补匠”，喜欢把东西拆开重装，每次进入他的办公室，里面都乱糟糟的，桌上堆满了计算机和自制望远镜的零件。

黄佳堂回忆，在课堂上，他曾为曹原他们讲过，金属的电阻率随温度的降低而减小，当温度降低到很低的时候就没有电阻了，这种状态叫超导状态。但基于目前的技术，要在负160摄氏度才行。这个问题是物理界的难题，如果能在常温下发现这种材料，就可能颠覆世界。当时，曹原还和同学商量以后问老师：“怎么样才能使常温下的材料电阻为零？改变材料性质的方法行不行？”黄佳堂当时的回答是：“这需要你们去研究，如果你们研究出来，那就很有可能改变世界！”

而这个问题，也成为黄佳堂的常备问题，对于每一届学生，他都会提出来，而现在，他的学生曹原已经给了答案。“没想到曹原真的在这个领域做出了深入的研究，有了现在的成果，太不可思议了，我为他感到骄傲！”黄佳堂说。

“我们还有很多事情要做”

2010年，曹原以高分考入了中国科学技术大学少年班，那一年，他只有14岁。四年后，他从中国科学技术大学获得了本科学位，前往美国攻读博士。此后，曹原再接再厉，先后发表了两篇关于原子厚度碳片层奇异行为的论文，开启了物理学的一个全新领域。曹原承认自己的情况有别于常人，但是说自己并不特殊，毕竟他还是用四年时间读完大学本科，“我只是跳过了中学里一些无趣的部分”。

2014年，曹原加入了Pablo Jar i l loHerrero在麻省理工学院的团队，该团队当时已经开始进行将碳片层堆叠和旋转至不同角度的尝试。曹原的主要工作是考察在堆叠的双层石墨烯中，如果将其中一层相对另一层旋转极小的角度后会发生什么。根据一种理论预测，这种扭曲会极大地改变石墨烯的行为，但许多物理学家对此持怀疑态度。曹原决心创造出这种以微妙角度扭曲的双层石墨烯，并发现了一些奇异的现象。对石墨烯施加微弱的电场并冷却至绝对零度以上1.7度时，会让能导电的石墨烯变成绝缘体。这一发现本身不可谓不令人惊讶。

曹原说：“我们已经料到这会对整个领域带来巨大影响。但更好的消息还在后面：只需稍微调整一下电场，扭曲的双层石墨烯就能成为一个超导体，让电子实现零电阻流动。”他们在第二个样本中观察到了同样的现象，最终确认了自己亲眼所见的事实。

通过简单的旋转就能让原子厚度的碳材料产生复杂的电子态，这一研究成果让物理学家争相对其它扭曲二维材料的奇异行为进行实验。一些物理学家甚至希望石墨烯能够阐明复杂材料为何会在更高的温度下成为超导体。哥伦比亚大学物理学家Cory Dean表示：“我们接下来可以做的事情太多了，眼前的机会巨大。”成功将平行的双层石墨烯扭曲至约1.1°的“魔角”需要一些试错，但曹原很快就掌握了可靠的方法。Jarillo-Herrero认为曹原的实验技巧至关重要。

曹原原创的方法先将单层石墨烯撕裂，组成方向相同的双层石墨烯，并在此基础上进行微调校准。曹原还通过调整低温系统，达到了能让超导态更为显著的温度。

2018年3月5日，《自然》发表了两篇以曹原为第一作者的石墨烯重磅论文。曹原发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度，就会产生神奇的超导效应，而他也成为以第一作者身份在该杂志上发表论文的最年轻的中国学者。有科学家指出，曹原这组重磅论文的发表，可能预示着改变人类生活的重大发现。

今天的曹原虽然还很年轻，略带羞涩，但在他的同事眼中，曹原的坚持不懈体现了他的成熟。虽然以微弱差距错过麻省理工的物理学研究生项目，但曹原想办法通过电气工程系加入了Jarillo-Herrero的团队来学习这一课程。另外，曹原对博士生涯的出师不利也并没有过多在意：他发现6个月费心解读的看似激动人心的数据其实只是实验装置造成的巧合。Jarillo-Herrero说：“他不大高兴，但他只是撸起袖子继续干。”

“90后”的曹原对自己未来的职业道路还不确定，他说：“在魔角石墨烯上，我们还有很多事情要做。”曹原本科时的指导老师、中科大物理学家曾长淦表示，全球各大高校已经在用博士后职位，甚至是教职岗位来吸引他，“在中国的凝聚态物理学家中，每个人都知道他的名字”。

年度科学人物中的中国面孔

在学术界享有盛誉的国际综合性科学周刊《自然》每年年末都会评出年度科学人物，榜单上，入选人士都是过去一年里在全球科学界最具影响力的人物。这些不同领域的科学家在当年的科学史上留下了不可磨灭的印记。

2012 王俊

王俊曾领导的华大基因是世界上最大的基因测序公司。1999年，华大基因支持了人类基因组计划的1%，而到2012年底，华大基因的测序数据产出能力占全球一半以上。华大基因致力于用基因科技造福人类。

2013 陈化兰

2013年，中国发现了人类感染H7N9禽流感病毒病例。中国国家禽流感参考实验室主任陈化兰及其团队冲在遏制禽流感病毒疫情爆发的第一线，并投入到对H7N9禽流感的研究之中，帮助中国平息H7N9禽流感疫情。

2017 潘建伟

依托中国发射的“墨子号”量子科学实验卫星，潘建伟团队2017年实现多项世界领先的量子通信技术突破，通过卫星和地面站之间的量子密钥分发，实现星地量子保密通信，并通过卫星中转实现可覆盖全球的量子保密通信。